理化教師的演示實驗

資料來源
科學研習月刊44-4
蕭次融 大學入學考試中心 研究發展處

理化教師在國中所擔任的課程包括物理與化學,而物理與化學均屬於物質科學的一門探究物質的實驗科學。理化實驗常使用具體的實物,在適當控制的條件下可以實際操作,以產生可測量或觀察的現象,利用實際的感官以形成知識概念,因此實驗在中等教育顯得格外重要。不過日前實驗在中等學校實施的情形很不理想。實驗的器材雖然是一個問題,但是課程的繁重以及升學考試的壓力,實在是實驗實施不良的主要原因。要紓解教學的時間壓力以及學生的課業負擔,比較節省時間而又能讓學生親眼目睹物理現象以及化學變化,以助學生了解物理或化學原理,並提高學生學習理化的興趣,最好的方法就是教師在課堂上配合教學內容的演示實驗。
近年來,在國外的化學教育刊物上,出現Demistry與Chemdems等新名詞,前者是「化學」Chemistry的前四個字母Chem用「演示」Demonstration的前三個字母Dem所取代者,意即Demonstration for Chemistry Experiments。至於Chemdems是由化學與演示的兩個英文字的前幾個字母複合而成,可以解釋為 Demonstration that bring Chemistry to life.由此可見演示實驗在化學的重要性了。因為在課常上演示化學實驗,可使學生貫注精神,以觀察化學現象(變化)。配合課程的理化教師的演示實驗便於教師講解,易於學生了解物理與化學的原理,更可使學生留下深刻的印象,從而提高其學習理化的興趣。
許多教師認為教學是藝術與技術。藝術重視創新,技術講究方法。因此教學方法的創新與改進是理化教育的一個重要課題。優良的教學方法可使學生的學習事半功倍。教育心理學常說學童對於喜歡的事,容易做得好,因此喜歡與興趣可說是學生學好理化的原動力。簡單而有趣的實驗,有助於學生的學習。本刊這一期以「趣味科學實驗」為名,介紹一些PAC(Plain and Attractive Chemistry)簡而有趣的化學實驗,與PAP(Plain and Attractive Physics)簡而有趣的物理實驗,與理化教師共勉,敬請參酌指正。

可燃的鐵
一、目的

加熱分解草酸鐵,以製備微細的鐵粉。比較鐵釘、鋼絲絨、與鐵粉的可燃性,進而探討微細鐵粉的自燃。

二、器材

草酸鐵 2克
蠟燭 1支
酒精燈 1個
打火機 1個
試管與橡皮塞 1組
鐵釘 1支
試管夾(鐵製) 1支
鑷子 1支
試管架 1個
鋼絲絨 1塊
磁鐵 1個
鋁箔(約30X40cm2) 1張
玻棒 1支
面紙 1張

三、實驗步驟
(一)微細鐵粉的製備

1.用試管取黃色的草酸鐵(FeC2O4‧2H2O)約 2 克。
2.用試管夾(鐵製)夾住試管,用酒精燈的火焰加熱。注意要先加熱試管的上端,然後加熱試管底部的草酸鐵,並用玻棒攪拌草酸鐵(如圖一),使其受熱均勻。

圖一 用玻棒攪拌加熱中的草酸鐵
圖一 用玻棒攪拌加熱中的草酸鐵

3.黃色的草酸鐵受熱分解 • 逐漸變成灰色粉末而浮動。繼續加熱並攪拌至粉末不再浮動,而且變成黑色。
4.試管移開火焰後,放置於試管架上,立即蓋上橡皮擦(先輕輕地蓋)
5.稍冷(用手可以觸摸的程度)後蓋緊橡皮塞。然後點燃一支蠟燭,用其蠟汕密封試管口(如圖二)。

圖二 用蠟油密封試管口
圖二 用蠟油密封試管口
【問1】寫出步驟3黃色草酸鐵受熱分解的反應式。
【問2】在步驟2,為什麼要先加熱試管的上端,然後才可加熱草酸鐵?
(二)鐵釘、鋼絲絨、與微細鐵粉的可燃性比較

1.先用磁鐵分別吸住鐵釘與鋼絲絨,然後用磁鐵從試管外而吸住微細的鐵粉末,上下移動磁鐵,可見鐵粉隨磁鐵上下移動。
2.鐵釘用鑷子夾住後移至酒精燈的火焰上,鐵釘並不會著火燃燒。
3.取鋼絲絨一小塊,先用手指將其鬆開後,用鑷子夾住,放在酒精燈的火焰上,即見鋼絲絨著火,發出火花(如圖三)。

圖三 鋼絲絨著火
圖三 鋼絲絨著火

4.在地面上先舖一張鋁箔,並在鋁箔的中央部位放置一張面紙後,打開試管口的橡皮塞,略為傾斜地持試管(管口朝下,如圖四),用食指輕彈試管,使鐵粉紛紛落下,即見鐵粉離開試管,落地途中閃出小小火花(在暗處更明顯)。最後將較多的鐵粉,一起倒在面紙上,即見鐵粉點燃了面紙,使其燃燒起來(要注意火煙偵器)。
【問3】寫出鐵粉自燃發火的反應式。

圖四 微細的鐵粉掉落途中發出火花
圖四 微細的鐵粉掉落途中發出火花
四、教師手冊
(一)問題的參考答案

【問1】寫出步驟3黃色草酸鐵受熱分解的反應式:

示意圖一

【問2】在步驟2,為什麼要先加熱試管的上端,然後才可加熱草酸鐵? 避免草酸鐵受熱分解,由其所含的結晶水所產生的水蒸氣,如反應式(1)所示,在試管的上端凝結成水,倒流至試管受熱部分,導致試管破裂。
【問3】寫出鐵粉自燃發火的反應式。

示意圖二
(二)補充說明

1.微細的鐵粉為什麼易燃?
(1)微細的粉木,表面積增大,與空氣接觸面增大,所以容易氧化而燃燒。但是若用機械的方式,任憑再怎麼磨細,也得不到本實驗所得那麼細微(幾近奈米級)的粉末,所以不會自燃。
(2)草酸鐵受熱分解產生微細的鐵粉末時,所加的能量也活化了粉末的表面。微細的鐵粉末如此活化了,而其表面積又增大,所以容易自燃。
2.為什麼當微細的鐵粉離開試管口,落地的途中會自燃?
鐵粉掉落時,與空氣摩擦所產生的一點熱,加上活化了的鐵粉與空氣一接觸,即被氧化時所產生的熱,導致鐵粉自燃。
3.在實驗步驟5,已密封了試管口的試管內微細鐵粉,必須用鋁箔包裹數層,以免萬一試管破裂,鐵粉一觸空氣即自燃,發生危險。經如此包裹保存的鐵粉,即使放置數月,也不會失去其自燃發火的性質。
4.本實驗的要訣在於步驟3,必須加熱至粉末不再浮動,而且變成黑色為止。這個加熱操作要小心,就不會有危險。
5.若在實驗步驟2,加熱一段時間,粉末有點變成灰色時,移開玻璃棒,並將試管口移近火焰,即見試管口會呈現淡藍色火焰,這是一氧化碳正在燃燒的現象。
6.約在1990年,筆者帶領學生做「鍊金師的夢」實驗,回收的鋅粉經沖洗數次後過濾,鋅粉放置於一個塑膠盤晾乾。盤上的鋅粉偶爾翻動,至乾後數日未經攪動,卻自行起火,塑膠盤著火冒煙燃燒。幸好筆者在場,發覺後立即處理,未成災,而得到難忘的教訓,說出親身的經驗與讀者分享。
7.本寶驗留下的鐵粉,必須妥善處理,且不可丟棄於字紙簍,以免發生災害。

(三、參考資料)

1.日本化學會編,「對教師與學生有用的化學實驗」,東京化學同人p.61(1987)。
2.W.E.Kuhn, “Ultrafine Particles"p.225, Electrochemical Society, Inc., New York (1963)